Jak zaprojektować żagiel, który może przetransportować statek kosmiczny do innego układu słonecznego?
Agencja NASA Podróżnik 1 A Podróżnik 2 Dwie sondy, wystrzelone w latach 70., nadal są jedynymi obiektami stworzonymi przez człowieka, które opuściły nasz Układ Słoneczny. Podczas gdy para sprostała oczekiwaniom i nadal działa, naukowcy nadal opracowują nowe misje, które mogą eksplorować poza naszym gwiezdnym sąsiedztwem. Jedna z technik znanych jako lekki żagielżagiel napędzany światłem, a nie wiatrem, wydaje się obiecującym środkiem do osiągnięcia tak ambitnego celu.
W dwóch nowych badaniach naukowcy odkryli, jak najlepiej zaprojektować lekki żagiel do podróży międzygwiezdnych. Odkryli, że taki żagiel powinien płynąć i mieć wzór przypominający siatkę, a także doszli do wniosków dotyczących najlepszych materiałów do wykorzystania.
Badania te zostały przeprowadzone w ramach Breakthrough Starshot Initiative, projektu badawczego i inżynieryjnego, którego celem było opracowanie nowych projektów lekkiego pojazdu o napędzie żaglowym, zdolnego do podróżowania do Alfa Centaurinasi najbliżsi sąsiedzi w Układzie Słonecznym.
Związane z: Żagiel słoneczny w kosmosie: Zobacz wspaniałe widoki z LightSail 2
Breakthrough Starshot to projekt z Breakthrough Initiatives, „grupą programów kosmicznych, która bada fundamentalne pytania dotyczące życia we wszechświecie”, według Breakthrough Starshot. stronie internetowej.
Celem Breakthrough Starshot jest opracowanie lekkiego żagla, który przenosi sondę wielkości małego wafla przy 20% prędkości światła. To szybkie tempo sprawi, że sonda dotrze do Alpha Centauri za około 20 lat, Zgodnie z oświadczeniem.
Dla porównania, Alfa Centauri znajduje się około 4 lat świetlnych od Ziemi i niektórzy eksperci Szacuje się, że dotarcie do systemu przy obecnej technologii zajmie co najmniej 6300 lat.
Czym jest lekki żagiel?
Lekkie żagle to nie science fiction ani nowy pomysł. Lekkie żagle, znane również jako żagle słoneczne, mogą napędzać statki kosmiczne bez użycia paliwa rakietowego. Żagle świetlne działają, gdy cząsteczki światła, zwane fotonami, zderzają się z odbijającym żaglem, przenosząc swój pęd na płytę.
Z biegiem czasu miliardy fotonów trafią w żagiel, dając wystarczająco dużo pędu, aby „pchnąć” statek do przodu.
W 2019 r. Planetary Society, amerykańska organizacja non-profit zajmująca się edukacją kosmiczną i zasięgiem, uruchomiła finansowany społecznościowo statek kosmiczny napędzany szybowcami o nazwie Lekki Żagiel 2 na orbitę Ziemi. Statek kosmiczny w kształcie sześcianu jest wielkości bochenka chleba, ale jego żagiel słoneczny ma powierzchnię 433 stóp kwadratowych (32 metry kwadratowe).
Lekki żagiel pojazdu składa się z czterech trójkątnych sekcji wykonanych z mylaru aluminiowego. Gdy statek dotarł do kosmosu na rakiecie SpaceX Falcon Heavy, manewrował na orbicie za pomocą ciągu generowanego przez światło słoneczne.
Japońska agencja kosmiczna JAXA wystrzeliła również statek kosmiczny, który podróżuje za pomocą żagla słonecznego o nazwie Ikar.
Jednak Starshot różni się od LightSail 2. Podczas gdy LightSail 2 opiera się wyłącznie na fotonach ze Słońca, Starshot będzie potrzebował intensywniejszego światła, aby osiągnąć ekstremalne prędkości, które liderzy projektu mają nadzieję osiągnąć. W tym celu projekt ma na celu wykorzystanie laserów naziemnych do skupienia intensywnego światła bezpośrednio na żaglach świetlnych potencjalnych sond Starshot, wysyłając je szybko w drogę po osiągnięciu orbity.
Idealna formacja żagla słonecznego
W ramach tej pary nowych badań naukowcy zbadali najbardziej efektywny kształt i styl lekkiego żagla.
W pierwszym artykule, prowadzonym przez Igora Bargatina, badacza z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Mechaniki Stosowanej na Uniwersytecie Pensylwanii, zaproponowano najlepszy materiał i kształt na międzygwiazdowy lekki żagiel.
Po pierwsze, badania sugerują, że lekki żagiel Starshot powinien być wykonany z ultracienkich arkuszy związku chemicznego tlenku glinu i dwusiarczku molibdenu, metalu przejściowego srebra.
Zespół zaleca również, aby lekki żagiel, aby uniknąć pęknięcia, powinien mieć znaczną krzywiznę i „płynąć jak spadochron, a nie leżeć płasko”.
„Intuicja jest taka, że bardzo wąski żagiel, czy to na żaglówce, czy w kosmosie, jest bardziej podatny na płacz” – powiedział Bargatin w tym samym oświadczeniu. „To stosunkowo łatwa do zrozumienia koncepcja, ale musieliśmy wykonać bardzo złożone obliczenia, aby pokazać, jak te materiały zachowują się w tej skali”.
Zwłaszcza przy dużych prędkościach, do których dąży zespół Starshot, żagiel wytrzyma znaczną siłę nacisku, gdy zostanie zepchnięty do granic możliwości. Ci badacze sugerują, że wybrzuszony kształt pomoże zapobiec pękaniu żagla pod wpływem tego nacisku.
„Fotony laserowe wypełnią żagiel jak powietrze wydmuchujące piłkę plażową” – powiedział w tym samym oświadczeniu główny autor Matthew Campbell, badacz z tytułem doktora w grupie Bargatine. „Wiemy, że lekkie, kompaktowe pojemniki muszą być kuliste lub cylindryczne, aby uniknąć pęknięć i pęknięć. Pomyśl o zbiornikach z propanem lub nawet zbiornikach paliwa na rakietach”.
ważny wzór
W drugim artykule zbadano, w jaki sposób wzór wewnątrz żagla może skuteczniej rozprowadzać ciepło pochodzące ze światła wiązek laserowych na ziemi.
„Jeśli żagle zaabsorbują nawet maleńki ułamek padającego światła laserowego, nagrzeją się do bardzo wysokich temperatur” – mówi główny autor Aaswath Raman, naukowiec z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii UCLA. Powiedział w tym samym oświadczeniu. „Aby upewnić się, że nie rozpadnie się po prostu, musimy zwiększyć jego zdolność do oddawania ciepła, co jest jedynym sposobem wymiany ciepła dostępnym w kosmosie”.
Wcześniej naukowcy sugerowali, że lekka „tkanina” żagla może być pokryta małymi, równomiernie rozmieszczonymi otworami, aby poradzić sobie z tym szaleńczym niepokojem. Jednak badacze ci sugerują, że żagiel może mieć perforacje oprócz tkaniny żagla, które są zgrupowane w siatkowy wzór, aby zmaksymalizować dystrybucję ciepła.
„Kilka lat temu myślenie lub prowadzenie prac teoretycznych nad tego rodzaju koncepcją było uważane za nieco naciągane” – powiedział w tym samym oświadczeniu współautor Deep Jariwala, badacz współpracujący z Bargattinem na University of Pennsylvania. „Teraz mamy nie tylko projekt, ale projekt opiera się na prawdziwych materiałach dostępnych w naszych laboratoriach. Naszym planem na przyszłość będzie wykonanie takich konstrukcji na małą skalę i przetestowanie ich za pomocą lasera o dużej mocy”.
Te dokumenty były opublikowany 16 lutego w Nano Letters.
Wyślij e-mail do Chelsea Gohd na adres [email protected] lub śledź ją na Twitterze Umieść tweeta. Śledź nas na Twitterze Umieść tweeta I na Facebooku.
„Nagradzany beeraholik. Fan Twittera. Podróżnik. Miłośnik jedzenia.